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1、黑龙江自动化技术 与应 用? ? ? ? ? 沁 ? ?年第? 期 ? ? ? 一? ? 单片机驱动步进电 机的闭 环控制 张廷录 孙喜荣 郝 祥 ?哈尔滨工 业大学? ?摘要本文介绍用? ?单片机及 ? 片 ? ! 芯片实现对步进 电机的闭环控制 , 即使用核步法 , 以闭环 控制作用提高系统的定位精度 。 同时在硬件 上去掉了驱动电源中的四细分环型分配器 , 通过对 运行状态分析 , 找到了软件编程的简便规律 , 从而 实现了用单片机控制步进电机 。 步进 电机的开环控制中 , 由于没有反馈 元件 , 因此无 法知道 电机的实际 运行步数与 予定运行步数是 否相等 , 这 一点对 于精确的
2、 定位控制系统是 不允许的 。 采用核步法 实现 闭环控制 , 通过 反馈元件可以测 量电机 是失 步还是 滑步 , 这样就可以把 电机修正在予定 的位置上 。 下面就有关问题叙述如下 ? 一 、 ? ? 一? ? 单片机 步进电机控制的硬 件连 接 图 ?是硬件连接图 , 图中的步进 电机 与 夔劫电原 心心州入? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?甲六忍忍忍日 ? ? ?工, , , , , , , , , , , , , 一一 农屁三? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
3、步进进进旋 转转 吕吕? ? ? ? ? ? ? ? ? ?尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸 电机 机机女压畏畏 。 ? ? ? ?, , , ? ? ? ? ? ? ? ?士目? ? 皮 皮皮 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 侧侧侧侧侧侧侧侧? ? ? ?砍砍砍砍砍砍砍砍砍砍砍砍砍 ? ? ? ? ? ? ?
4、? ? ? ? ? ? ? ?扣为玫 玫 柳柳柳柳柳柳柳柳柳柳柳柳柳柳柳?角角 百百百百位位位位位位位位位位 示统统 启启启启泛纽 ,?么? ?” ” 干干干干犷 赴赴 产一一 一一 个个个个兔 兔兔兔兔兔兔兔兔兔兔 一一一一一卜分泣 泣? 召。? ?, , , ? ? ? ? ?尸? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。?, 。 , , ,尸一一一一 一一 图 ?单片机步进电机闭环控制硬件连接图 本文于?年?月?日收到 。 ? ? 一 ? ?单片机驱动步进电机的闭环控制 旋转变压器 是机 ?械 冈轴连接 , 因此 用虚线表 示 。 其它 各部分 的功能 如下 ? ? ? ? ?单片机?
5、在闭环 系统中产生位 置输人信号 , 接受位置反馈信号并与位置输 入信号相减而产生控制 作用 , 它 也产生控 制 步进电机转速和转向信号 。 ? ? ? ? ?芯片 ? 因在本系统中去掉 了驱动 电源中的四细分 环型分 配器 , 因此必 须使 用一片 ? ? 芯片的? ?根输出线与? 、 ? 、 ? 、 ?相 的功放输人端 相连 。 ?中的 ?口的?条输出 线与?相功放的随入 端相 连 。 ? ? 驱动电源 ? 接受? ?单片机 发出 的 信号 驱动步进电机转动 。 ? ? 步进电机 ? 在适 当控制方式下最小 步距角可达 ? ? ?尹 , 为提高电机运 行之 平稳 性 , 采用五相十拍四组
6、分 方式 。 ? ? 旋转变压 器 ? 是本系 统 的 测 量元 件 , 它将步进电 机转轴转角转换成模拟电压 输出 。 ? ? 测角线路 ? 将旋转变压 器测 得 的代 表步进 电机转轴转角的模拟 电压经 ? ?变 将等一系列处理 变成四位 ? ? 码输出 , 分 别表示百位 , 十位 , 个位和十 分位 。 ? , ? ?芯片 ? 功能是接受测角线 路反馈信号 , 并通过此芯片将反馈信号输入 调调 训试子程字?一一 ? ? ? 初始化 , 请? ? ? 找找反车匀 抢岂月字 , ? ? ? ? ? 置花铃控制字? ? ? 取取反 , 厂?洁零 零零消零,万工清零零 状状态转涣们们 抬抬?
7、? ? ? ? ? 孽势 殊殊殊 调状态枝换换换调状 态转换换换调汀传户片 “ 一一 ? ? ? ? ? ? ?祥 片?“日? ? ? ? ? 于程序? ? ? ? ? ? 一? 片?一 卜倒只只 ? ? ? ? ! 图? 步进电机运行框 图 黑龙江自动化技术 与应用? ? ? ? ? 地 ? 到? 以便反馈 。 用? ?的? 、 ?作为? ?和 ?的片选信号 。 当? ? ? , ? ?二 ?时 , 选通 ? !? , 则?接受位置 反馈信号 。 当? ?。? ? , ? ? 。? ?时 , 选 通 ? ? ? ? , 则? ? ?给出步进电机控制信 号 。 二 、 核步法 闭环控制 的软件
8、实 现 图 ?是 步进 电机控制软件框图 , 下面对 框图予 以简要说明 ? ? 本程序 中控制 步进电机运转采用推 理法 , 因本系统 去掉了驱 动电源中的 四细分 环型 分配器 , 加入 ? 片? ?芯片通过程 序实现细分 , 步进电机五相十拍四 细分的运 行状态字如表 ? 所示 。 表 ? 步进电机运行状态字 厂 万 ? “ ” 一 厂己 一 ? ? 尸 厂 ? ?了 ? 、? ? ? ? ? ? ? ? ?】彭】各 ?长 ?尸? ? ? ? ? ?年第? 期 ? 次 , 反 之按? ! 循环两次 。 ? 每相状 态转换开始时刻 , 若输出口状态为? , 则顺 序 输出 ? 、 ? 、
9、? 、 ? 序列 。 若输出状态为 ? , 则顺序输出? 、 ? 、 ? 、 ?序列 。 反转 时每相 状态转换开始时 刻 , 若输出口状态为? , 则 顺序输出? 、 ? 、 ? 、 ? 序列 , 若输出口状态 为 ? , 则输出 ? 、 ? 、 ? 、 ? ? 考虑到序列 ? 、 ? 、 ? 、 。与? 、 ? 、 ? 、 ? 均为从?相励 磁逐次减到? , ? , 。相励 磁 , 这两个序列产生的励磁效果是 一致的 。 因此上述两条可表述成 ? 无论在正转或 反转时 , 当某相状态要发生转换时刻 , 若此 刻本相 之状态为? , 则顺序输出? 、 ? 、 ? , ? , 若状态字为 ?
10、, 则顺?子 输出 ? 、 ? 、 ? 、 ? 这就是推理法的基本思想 。 为按正确顺序对各相进行状态检测应对 各相进行二位二进制编码 ? ?相 ? ? , ? 相 ? ? , ?相? , ? 相? ? 。 考虑到?才目的特殊情 况 ?正转时? 相状最后转换 , 反相时?相最 先转换? , 故不 对其编码 。 然 后把已编码的 四相? ?按正反转时状态发生转换 的先 后次序排列成二个 ? 位二进 制码 , 称为转换 顺序控制字 。 再运用累加器逐位测试分 支转移指令 ? 二, 井 ? 和以左移 “ 转移顺序控制字 ” 两次就 能实现四相转换的正确顺 序 。 如正转时 , 当 电 机进人?相 工
11、作之后 , 应转至?相 进 行状 态转换 , 因 此本程 序设置了用户标志?来 进行分支转移 , 使之在?相工作完毕之后 , 对 程序开头己经清零的 ? 标志进行求反使之 为 ? 。 这样程序就能 在?相工 作之后通过对 ? ? 的测试而进人?相 工作 。 反转时 , ?相 要先工作 , 故框图使? ? ? , ?相状态转换 之 后 , 再把转换顺序指向?和 。 我们把? 、 ? 、 ? 、 ? 、 ? 各项初态不妨称 各输出口的 “ 档案 ”, 它被放人 内存中的某 个区域 , 它 是以某个工作寄存黔来建立其指 针?勺 。 在 闭环中核步处理 子程序如图 ?所示 。 介一叻 介 一 ? 一
12、? 一 一? ?一 ? ? ?一 一 一 、? ? ? ?一 一? ?一 ?一 一? ?八 ? 八? ? ?一 八 “ 门 ? ? ? ?一 ? ? ? 一? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 卜 一 一 耳 ? 巨 ? ? ? 仔细分析表?可 以发现 ? ?正转时 , 各 相状态转换次序是? ? 顺序循环两 ? ? 一 ? 单片机驱动步进电机的闭环控制 ? ?一 ? ? ? ? ? ? ? 漂涨诀姿姿 铆铆比垃争己己己己 ? ? ?于以? ? ? ? ? ? ? 电 机反转时顺利起动 , 然后再 返回到初态 ? ? 。 再检测一次后决定 步 数及 转向 , 然 后运转即可
13、。 这里使用 了? ?用户标志, 使? ? ? ?时 程序转移至初态 , ? ? ?时正常运转 。 ? ? 比较子程序? ?的设计 比较子程序的框图如图 ? 所示 。 嘿辈 ? 图?核步处理子程序 ? ? 闭 环核步法中电机运 动方向的处 理 电机在核步 处理前 后运 功状况 只能有四 种 ? ? ? 处理前后均为正转 。 ? ? 处理前为正转 , 处理后为 反转 。 ? ? 处 理前为反转 , 处理后 为正转 。 ? ? 处理前 后均 为反转 。 归纳起来 , ? 、 ?为不 改 变运动 方向 , ? 、 。为改变 运动方向 。 用? ?。 的溢 出位?来 设置 正?反转向 栋 志 , 当?
14、 ? 。为正转 , 当 ? 二 ? 为反转 。 可以两 次对标志?检测来区分这四种 情 况 ? 第一次对?检 测 区分 电机核步前 的两 种 转向 。 第二次再对?进行检 测 , 由于目前 的 标志?是由比较环节得来 , 它表示 电机 下步 的转向 , 故此次对?检测就可以区 分出 电机 核步前后 的四种状态 ? ? 、 ?情况容易处理 , 只要把继 续旋转的 步数送人计 数器 即可 。 b 、 C 的情况这样处 理 , 在 即将反转之 前 , 先将各相 清零并 维 持一段时间 , 以便 输输人 二户 定角位置置 接接受转子实际位置 置 F. i 两林 球兹 送出核步步数及转向 返回 图 4 测试/比较子程序 该 一子程序 的功能是检测 出 电机转子实际 位置与予定值之间的差 , 并将其转化为核步 处理后的步数与转向 。 予定值与 实际 位 置值 都以B C D码 给 出 , 然后 使它 们相减 , 差值化 为二进 制码 并 转化为步数进人 步数计数器中 。 其他的一些 子程序因篇幅所限这 里就不 一一 列举了 。 本程序已在某项目装置上通过 。 不管我 们用什么办法使 电机偏离 予定的位置 , 电机 在 闭环控 制下总 能回到命令所设定 的位置 , 这是 与采用开环控 制 不能比拟 的 。
